9-国华超临界和亚临界锅炉氧化皮问题分析与治理建议

国华超临界和亚临界锅炉氧化皮问题分析与治理建议神华国华（北京）电力研究院2012年3月28日目录一、超临界锅炉氧化皮二、亚临界锅炉氧化皮三、总结与建议四、提示一、超临界锅炉氧化皮„沧东、定洲末过、末再管屏简图炉内末过热段管屏TP347H:Φ38.1×6.5/7.5;T91：Φ38.1×7.0/7.5/8.0/9.0炉内末再管屏TP347H:Φ63.5×4.0;T91：Φ63.5×4.0/4.5/6.0一、超临界锅炉氧化皮„沧东3号炉氧化皮现状„2012年1月27日停机C修，检查弯头发现氧化皮剥落堆积主要集中在末过外3圈和末再外3圈TP347材质管段，剥落的氧化皮厚度为0.05～0.13mm，达到了TP347H材质临界剥落厚度。„割管清理氧化皮的末过有191根，末再有108根，后屏过热器18根，共计317根。„末过出口段T91氧化膜经高频超声波法检测厚度为0.096～0.202mm，对应的金属计算当量温度为586.3～618.6℃，可见有2/3测点管段金属计算当量温度超过600℃。一、超临界锅炉氧化皮末过弯头处测点数246测点数氧化皮厚度当量温度比例150.096586.36.1%480.108596.619.5%360.121606.914.6%370.133612.715.0%330.148614.213.4%180.169616.07.3%500.188617.620.3%90.202618.63.7%末过弯头上5mm处测点数656测点数氧化皮厚度当量温度比例680.096586.310.4%1570.108596.623.9%1640.121606.925.0%900.133612.713.7%700.148614.210.7%600.169616.09.1%400.188617.66.1%70.202618.61.1%一、超临界锅炉氧化皮„沧东3号炉氧化皮现状„末级再热器出口段T91氧化膜厚度为0.108～0.202mm，对应的金属计算当量温度为596.6～618.6℃。可见有2/3以上测点管段金属计算当量温度超过600℃。末再弯头处测点数165+66测点数氧化皮厚度当量温度比例480.108596.629.1%410.121606.924.8%300.133612.718.2%80.148614.24.8%90.169616.05.5%80.188617.64.8%210.202618.612.7%末再弯头上5m处测点数136测点数氧化皮厚度当量温度比例80.108596.65.9%390.121606.928.7%280.133612.720.6%100.148614.27.4%200.169616.014.7%160.188617.611.8%150.202618.611.0%一、超临界锅炉氧化皮„定洲3号炉氧化皮现状„C修期间，对末过、末再、后屏过共计检查弯头2191个，其中外3圈（TP347H）均存在氧化皮剥落堆积现象，全部进行割管清理。末过4-13圈（T91）、末再4-20圈（T91）未发现氧化皮堆积。„A修期间，对末过、末再T91管指定位置的内壁氧化皮厚度进行测量。末过共测量了570点，其中92点取得了氧化皮厚度数据，厚度值在0.06～0.16mm之间；末再共测量了1292点，所有测点的氧化皮厚度及状态均未达到仪器能够识别的程度（氧化皮厚度＜0.1mm）。一、超临界锅炉氧化皮3号炉检查的弯头数量发现有氧化皮弯头数量合计设备名称T91TP347HT91TP347H末过1238（328+910）1640492492末再5611980198198后屏过2010000总计18193720690690一、超临界锅炉氧化皮„定洲4号炉氧化皮现状„C修期间，对末过、末再、后屏过共计检查弯头2207个，其中外3圈（TP347H）均存在氧化皮剥落堆积现象，全部进行割管清理。末过4-13圈（T91）、末再4-20圈（T91）未发现氧化皮堆积。后屏过抽检未发现氧化皮。定洲4号炉检查的弯头数量发现有氧化皮弯头数量合计设备名称T91TP347HT91TP347H末过1254（328+926）1640492492末再5611980198198后屏过2010000总计18353720690690一、超临界锅炉氧化皮„TP347H分析„国内大量案例统计表明：„①出口蒸汽温度为570℃的超临界锅炉，TP347H粗晶不锈钢管氧化皮集中剥落的累计运行时间大约在8000至1.5万h，若机组启、停时严格控制温升、温降速率，氧化皮集中剥落的时间还将推迟；„②TP347H粗晶不锈钢管氧化皮一旦大量集中剥落，氧化皮再次生长增厚的速率明显降低，5万h内再次发生集中剥落的风险将大大降低。„目前，沧东、定洲超临界锅炉TP347H管材氧化皮剥落，属于首次大量集中剥落。一、超临界锅炉氧化皮„TP347H分析„TP347H不锈钢因晶粒粗大，在其内表面形成不了一层抑制Fe3O4氧化膜生长的Cr2O3保护膜。加之奥氏体不锈钢母材与氧化膜的线膨胀系数差异较大，在机组启停过程热应力的作用下极易发生氧化皮剥落堆积下弯头问题。一、超临界锅炉氧化皮„T91分析„沧东、定洲超临界锅炉氧化皮治理改造的焦点在T91管材上。„T91氧化皮爆管失效模式不同于TP347H、T23等因氧化皮大量剥落堆积下弯头引起管路堵塞导致的过热爆管。„日本、美国学者认为：T91管材氧化皮增厚至0.3mm以上时，易发生局部氧化皮隆起（翘起）现象。T91氧化皮隆起（翘起）部位与母材基体之间形成腔室，腔室内不流动的汽泡使管壁传热热阻迅速增加，管壁温度上升，导致该处T91管材发生过热爆管。这种爆管失效模式难以预防。一、超临界锅炉氧化皮„T91失效案例1„日本某超超临界机组（24.5MPa，600℃/600℃，1000MW）高温再热器管(材质：STBA28)，2001.12.7爆管，累积运行30443小时，管内壁水蒸汽氧化膜逐渐增厚，隆起并剥落，管道内壁水蒸汽导致氧化膜产生并隆起阻碍热传递。„※相似机组(25.4MPa，566℃/593℃)四次过热器管(材质：STBA28)，由于过热器管金属温度上升致使管子慢性损伤，导致泄漏发生。(发生日期：2003.10，试运转后的累计运行时间：约5万小时)，氧化膜导致的金属温度上升大，金属温度上升加速氧化膜产生，二者共同作用导致管子慢性损伤加速。一、超临界锅炉氧化皮„T91失效案例2„国内某超临界机组（25.4MPa，571℃/569℃，600MW）末级过热器管(材质：T91)，2009.11.19爆管（连续大负荷运行48天发生的），累积运行28577小时。„运行工况下，管壁的当量壁温为616℃～627℃，大于T91长期安全使用的最高金属壁温600℃，材质的老化较明显，金相组织中有碳化物颗粒弥散析出特征。„爆管处T91管设计壁温较高，加速了氧化膜的增厚和热阻的增大，热阻的增大又促进壁温的进一步升高和氧化膜的进一步增厚，而导致爆管失效。一、超临界锅炉氧化皮„沧东、定州改造时机建议„改造方案要点：2011年9月6日，研究院在北京组织召开了沧东、定洲660MW超临界锅炉高温受热面改造方案专家评审会，会议通过了由上锅设计、经成套院校核的改造方案：将T91管材的最高壁温控制在595℃以内、壁温超过595℃的管段采用TP347HFG材料、为避免脱落氧化膜大量堆积底部弯头弯曲半径应大于3倍管子外径、管屏应力满足锅炉全寿命期内的启动要求。改造方案保留了高温过热器热段和高温再热器入口侧壁温低于595℃的T91管段；将底部弯头弯曲半径放大，考虑到高温过热器管径较细、易于发生氧化膜大量堆积，将高温过热器热段弯头全部采用易于监测氧化膜堆积情况的TP347HFG材料，在满足最高使用壁温的前提下高温再热器弯头仍采用T91管材制造；为使高温再热器管屏应力水平满足ASME标准要求，最内3圈全部采用TP347HFG管材。高温过热器需使用TP347HFG管材102t，高温再热器需使用TP347HFG管材63t、T91管材28t。此方案未涉及改造时机。一、超临界锅炉氧化皮„沧东、定州改造时机建议„改造时机：以T91氧化皮厚度0.3mm为风险控制点，适当考虑留有安全裕量，建议以T91氧化皮厚度0.25mm为改造时间节点为宜。根据各台锅炉T91氧化皮测厚数据，推算目前较厚的氧化皮生长增厚至0.25mm的大致运行时间，并结合机组检修计划，最终确定该台锅炉氧化皮治理改造时机。„目前机组累计运行时间：沧东3号2.2万h、4号1.8万h，定洲3号1.9万h、4号1.5万h。累计运行时间最长的沧东3号炉T91管材氧化皮测厚点较厚者在0.20mm，氧化皮生长至0.25mm的累计运行时间约为3.4万h，即沧东3号炉末过、末再T91管材氧化皮增厚至0.25mm的运行时间约为1.2万h。其它3台锅炉还没有T91氧化膜厚度的检测数据。后屏过热器材料除最外圈底部及最内圈绕管底部用奥氏体钢TP347H，其余为12Cr1MoV，T91铁素体钢。红线—TP347HΦ60×9，Φ63×8蓝线—T91Φ54×7.5黑线—12Cr1MoVΦ54×8/9/10后屏过热器材料分段示意图二、亚临界锅炉氧化皮（一）上海600MW锅炉后屏过热器管屏简图二、亚临界锅炉氧化皮„宁海2号炉氧化皮现状„宁海2号锅炉在2011年10月25日C级检修中经射线检查发现后屏过热器有氧化皮剥落堵塞，割管检查共87个弯头存在氧化皮，其中11个弯头完全堵塞，测量氧化皮厚度约0.1～0.15mm（属正常生长厚度），剥落管材质为12Cr1MoV。二、亚临界锅炉氧化皮„台山1号锅炉氧化皮现状„第1次爆管：2012年2月14日C修后启动，16日后屏过热器第7屏、下数第三根弯头后侧直管段T91发生爆管，后经周边管屏割管检查发现有氧化皮堆积现象。原因分析认为：该管经过长期高温运行且管内氧化皮堆积、流量减少导致长期局部过热，组织发生蠕变损伤，管材性能下降；机组启动后又有氧化皮掉落，存在短期局部过热，导致管子胀粗泄漏。1号炉投产时间为2003年12月9日，运行累计时间为65321小时。二、亚临界锅炉氧化皮„台山1号炉氧化皮现状„第2次爆管：经停炉检查处理后，于2月20日再次启动，2月21日3时28分，1号炉四管泄漏装置报警，机组解列后就地检查泄漏位置为后屏过热器第6屏从外向内第19根管，材质为12Cr1MoV。宏观爆口具有典型的短时超温过热特征。原因分析认为：管内壁氧化皮在启动过程中由于温度大幅波动，氧化皮集中脱落堆积，流通截面减小，管壁超温爆管。二、亚临界锅炉氧化皮„台山1号炉氧化皮检查„此次C修，对后屏过热器共拍片186个，其中后屏过热器向火侧和背火侧最外圈弯头50个全部进行了拍片，发现有20个弯头氧化皮堆积超标，都集中在气流出口侧。内圈弯头共拍136个未发现氧化皮堆积，后屏清理出来的氧化皮形态基本上是粉末状。1号炉C修和第1次爆管后检查及处理合计清单检查的弯头数割管处理数量合计设备名称12Cr1MovT91分隔屏4326260122后屏52252732末级过106101末级再14000合计10746887155二、亚临界锅炉氧化皮„台山1号炉氧化皮检查„对分隔屏共计拍片432个，分隔屏入口部分弯头拍片72个，未发现氧化皮堆积。分隔屏出口部分弯头全部进行了拍片共计360个，发现氧化皮堆积超出管子截面10%的122个。„剥落氧化皮主要集中在分隔屏和后屏过热器上，末级过热器和末级再热器氧化皮基本未发生剥落。二、亚临界锅炉氧化皮„台山1号炉未剥落氧化皮测厚„第2次爆管后，委托广东电科院对后屏第3、5、6、7、8、18、19、20、21、22排T91和12Cr1MoVG材质以及1-25屏第2、19根管子T91和12Cr1MoV进行氧化皮测厚。从统计表中可以看出，1号炉后屏过热器氧化皮厚度普遍偏低，84.6%的比例氧化皮厚度低于0.1mm，超过0.1mm的为15.4%，且最厚为0.33mm（12Cr1MoV），无超过0.4mm的氧化皮生成，1号炉氧化皮生成量属于正常生成范围。1号炉后屏过